(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、冷媒の圧力を低下させる第１流量制御手段および蒸発器を冷媒が順次循環するよう連結した主流冷媒ルートと、前記凝縮器の出口側から冷媒の一部を分岐し、分岐した冷媒を膨張動力回収手段にて膨張させた後、膨張した冷媒を気相及び液相に分離する気液分離器を通して前記圧縮機の入口側に戻す第１バイパス流冷媒ルートと、前記気液分離器の液相側から冷媒を分岐し、分岐した冷媒を第２流量制御手段にて膨張させた後、前記膨張動力回収手段に戻す第２バイパス流冷媒ルートと、当該第２バイパス流冷媒ルートの膨張後の冷媒によって前記主流冷媒ルートにおける前記流量制御手段の入口側の冷媒を冷却する熱交換器とを備えた冷凍空調装置。
【請求項２】
前記膨張動力回収手段が、エゼクタである請求項１に記載の冷凍空調装置。
【請求項３】
前記冷媒が二酸化炭素である請求項１から２のいずれかに記載の冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍空調装置に関し、ことに、主流冷媒とバイパス流冷媒との間で熱交換を行って主流冷媒を冷却する熱交換器を備えた冷凍空調装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は特開平１０−２０５８９８号公報に開示された従来の冷凍装置の構成説明図で、１１は圧縮機、１２は凝縮器、１３はエゼクタ、１４は気液分離器、１５は冷媒ポンプ、１６は蒸発器、１７は冷媒配管であり、フロンガスを代表とする冷媒が冷凍サイクル９を循環する構成につき開示するものである。かかる冷凍装置は、前述の通り、圧縮機、凝縮器、エゼクタ（エジェクタとも呼ばれる）、気液分離器が環状に接続され、さらに気液分離器、冷媒ポンプ、蒸発器及びエゼクタが順次連結接続された構成を有している。かかる冷凍装置の性能は、各構成要素において如何にロスなく圧力−エンタルピの変換を行うかにより決まるため、各構成要素におけるエネルギーロスの低減が技術開発の重要なポイントとなる。ことに、断熱膨張により冷媒の圧力を降下させ動力を回収するエゼクタにおけるエネルギーロスの低減が冷凍装置の性能向上に対し重要な課題として挙げられる。
【０００３】
以下、従来の冷凍装置の動作につき図に従い説明する。かかる冷凍装置においては、まず最初、フロンガス等の冷媒は圧縮機１１にて圧縮され高温高圧状態となり、続いて凝縮器１２に導入され液化する。さらに、凝縮器１２て液化された冷媒は、エゼクタ１３に導入され蒸発しながら増速減圧し、気液混合状態となる。この気液混合状態となった冷媒は、気液分離器１４にて気相と液相に分離され、このうち冷媒蒸気は圧縮機１１へと導かれ、冷凍サイクル９を循環することになる。また、気液分離器１４内の冷媒液は冷媒ポンプ１５を通り、蒸発器１６に導入され低温低圧状態となる。蒸発器１６から流出した低温低圧の冷媒蒸気は、凝縮器１２からエゼクタ１３に導入され増速減圧した冷媒と一体となり、圧縮機１１の吸入圧力と等しい圧力まで圧力回復する。この圧力回復した冷媒は気液分離器１４に流入し、冷媒蒸気は圧縮機１１に戻ることにより冷媒流路を循環し、冷媒液は冷媒ポンプ１５で減圧され蒸発器１６にて気化しエゼクタ１３に戻ることによりバイパス流路を循環することになる。
【０００４】
上述のように、従来の冷凍装置においては、エゼクタ１３から流出した冷媒を気液分離器１４にて気液分離し、冷媒蒸気を圧縮機１１に戻し、冷媒液を冷媒ポンプ１５及び蒸発器１６を通してエゼクタ１３へと導入する構成としていたため、凝縮器１２の出口における冷媒の過冷却度を大きくすると、エゼクタ１３に導入される冷媒のエンタルピが低下するため、エゼクタ１３によるエンタルピ増加を低減する効果が低下する。一方、凝縮器１２の出口における冷媒の過冷却度を小さくすると、エゼクタ１３入口でのエンタルピは上昇するが、これは蒸発器１６の出口側のエンタルピの上昇を招き、蒸発器１６の出入口におけるエンタルピ差が減少することを意味する。そのため、所定の冷却能力を得るためには冷媒流量を増加させる必要が生じ、圧縮機に投入する電力量が増大するなど、性能低下を招くことになる。このように、従来の冷凍装置は、エゼクタ１３に導入する冷媒のエンタルピを大きくすればエゼクタ１３通過後の圧力損失の増加が生じ、また、小さくすればエゼクタ１３の効果が減少するという相反する問題を有しており、エゼクタを利用した効率的な運転が困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる状況に鑑みなされたもので、従来、流量制御手段においてロスとなっていたエネルギーを効率的に回収し、高効率な運転を実現する冷凍空調装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる冷凍空調装置は、圧縮機、凝縮器、冷媒の圧力を低下させる流量制御手段および蒸発器を冷媒が順次循環するよう連結した主流冷媒ルートと、凝縮器の出口側から冷媒の一部を分岐し、分岐した冷媒を膨張動力回収手段にて膨張させて圧縮機の入口側に戻すバイパス流冷媒ルートと、バイパス流冷媒ルートの膨張後の冷媒によって主流冷媒ルートにおける流量制御手段の入口側の冷媒を冷却する熱交換器とを備えたものである。かかる冷凍空調装置は、主流冷媒ルートにおいて、圧縮機の出口側から凝縮器の入口側に第２凝縮器と第２圧縮機を順次連結した構成とすることができ、膨張動力回収手段としては膨張機を用いることができる。
【０００７】
また、本発明にかかる冷凍空調装置は、圧縮機、凝縮器、冷媒の圧力を低下させる第１流量制御手段および蒸発器を冷媒が順次循環するよう連結した主流冷媒ルートと、凝縮器の出口側から冷媒の一部を分岐し、分岐した冷媒を膨張動力回収手段にて膨張させた後、膨張した冷媒を気相及び液相に分離する気液分離器を通して圧縮機の入口側に戻す第１バイパス流冷媒ルートと、気液分離器の液相側から冷媒を分岐し、分岐した冷媒を第２流量制御手段にて膨張させた後、膨張動力回収手段に戻す第２バイパス流冷媒ルートと、第２バイパス流冷媒ルートの膨張後の冷媒によって主流冷媒ルートにおける流量制御手段の入口側の冷媒を冷却する熱交換器とを備えたものである。かかる膨張動力回収手段としては、エゼクタを用いることができる。
【０００８】
かかる冷凍空調装置においては、冷媒として二酸化炭素を用いることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
本発明にかかる冷凍空調装置は、例えば、図１に示すように、圧縮機１１、凝縮器１２、流量制御手段４１、蒸発器１６が冷媒配管で環状に順次接続されており、フルオロカーボン系または炭化水素系の冷媒が循環する構成となっている。また、凝縮器１２と流量制御手段４１の間には熱交換器４０が設置され、さらに凝縮器１２と熱交換器４０の間及び蒸発器１６と圧縮機１１の間がバイパス配管４２にて連結接続されている。このバイパス配管４２の経路には膨張機１３が配置され、バイパス配管４２は膨張機１３の設置部の下流側で熱交換器４０を通って、蒸発器１６と圧縮機１１の間に接続されている。
また、図２はかかる冷凍空調装置の冷凍サイクルを説明するための圧力−エンタルピ線図であり、図２に示されたＡからＦの各点は図１に記載された冷凍空調装置のＡからＦの各点に対応し、各位置における圧力−エンタルピ状態を表わすものである。
【００１０】
以下、かかる冷凍空調装置の動作とその効果に付き、図２に示した圧力−エンタルピ線図を参照しつつ説明する。かかる冷凍空調装置においては、冷媒は圧縮機１１の出口で最も高い圧力およびエンタルピを有している（図中Ａ点）。次に、圧縮機１１にて圧縮され高温高圧状態となった冷媒は、凝縮器１２に導かれて凝縮され、圧力が一定のままエンタルピが低下する（図中Ａ点→Ｂ点）。凝縮器１２出口部（図中Ｂ点）における冷媒液の一部は、膨張機１３により断熱膨張し低温低圧の冷媒二相状態に変化する（図中Ｂ点→Ｆ点）。この低温低圧の冷媒は熱交換器４０にて、凝縮器１２から流量制御手段４１へ循環する冷媒液と熱交換して気化し、圧縮機１１の吸入圧力と等しい圧力まで圧力回復して圧縮機１１に戻り（図中Ｆ点→Ｅ点）、圧縮機１１における動力の一部として利用されることになる。また、凝縮器１２を出た冷媒の残りは、熱交換器４０において膨張機１３にて低温低圧となった冷媒と熱交換して冷却された後（図中Ｂ点→Ｃ点）、流量制御手段４１にて減圧され低温低圧の気液二層状態の冷媒となり（図中Ｃ点→Ｄ点）蒸発器１６に導入され，空気などと熱交換して気化し圧縮機１１に戻る（図中Ｄ点→Ｅ点）。そして、冷媒は圧縮機１１にて圧縮され、高温高圧状態となり（図中Ｅ点→Ａ点）、上述の冷凍サイクルを再び循環することになる。
【００１１】
以上、かかる冷凍空調装置においては熱交換器により凝縮器から流量制御手段に循環する冷媒を過冷却することにより、流量制御手段に導入される冷媒のエンタルピを低減することができる。即ち、流量制御手段における減圧時に失われていたエネルギーを、蒸発器を通ることなく圧縮機に循環する冷媒にて回収し、流量制御手段におけるエネルギーロスの低減による効率ＵＰにより高効率な運転が可能となる。
【００１２】
尚、上記実施の形態ではフルオロカーボン系または炭化水素系の冷媒を用いたものについて説明したが、冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍空調装置では冷凍能力に対する断熱膨張時のエネルギーロスが大きく、本発明の効果が特に顕著である。かかる効果につき、図を用いて説明する。図３は流量制御手段４１の入口温度が３５℃、出口温度が１０℃における二酸化炭素の断熱膨張過程における圧力―エンタルピ線図、図４は流量制御手段４１の入口温度が３５℃、出口温度が１０℃におけるフルオロカーボン系冷媒の断熱膨張過程における圧力―エンタルピ線図である。図３、４において、５０、６０は３５℃の等温線、５１、６１は等エントロピ線、５２、６２は１０℃の等温線、５３、６３はエネルギーロス、５４、６４は冷凍能力を示している。図３に示した二酸化炭素のエネルギーロス５３の方が図４に示したフルオロカーボン系冷媒のエネルギーロス６３よりも大きいのは、二酸化炭素が３５℃では臨界状態にあり、フルオロカーボン系冷媒のような一般的な冷媒とは異なる特有の性質を有することに起因する。一方、本願発明は流量制御手段にて生じるエネルギーロスの低減を目的としたものであるため、かかるエネルギーロスが大きい二酸化炭素を冷媒として用いた場合には通常のフルオロカーボン系冷媒を用いる場合より効果的である。
【００１３】
実施の形態２
図５は本発明にかかる冷凍空調装置の構成を表す構成説明図の一例で、第１圧縮機１１、第２凝縮器４５、第２圧縮機４６、第１凝縮器１２、第１流量制御手段４１、蒸発器１６が冷媒配管で環状に順次接続されており、フルオロカーボン系または炭化水素系の冷媒が循環する構成となっている。また、凝縮器１２と第１流量制御手段４１の間には熱交換器４０が設置され、さらに凝縮器１２と熱交換器４０の間及び蒸発器１６と圧縮機１１の間がバイパス配管４２にて連結接続されている。このバイパス配管４２には膨張機１３が設置され、バイパス配管４２は膨張機１３の設置部の下流側で熱交換器４０を通って、蒸発器１６と圧縮機１１の間に接続されている。
また、図６はかかる冷凍空調装置の冷凍サイクルを説明するための圧力−エンタルピ線図であり、図６中に示されたＡ’からＨ’の各点は図５に記載された冷凍空調装置のＡ’からＨ’の各点に対応し、各位置における圧力−エンタルピ状態を表わすものである。
【００１４】
以下、かかる冷凍空調装置の動作とその効果に付き、図６に示した圧力−エンタルピ線図を参照しつつ説明する。かかる冷凍空調装置においては、冷媒は第２圧縮機４６の出口で最も高い圧力およびエンタルピを有している（図中Ａ’点）。次に、第２圧縮機４６にて圧縮され高温高圧状態となった冷媒は、第１凝縮器１２に導かれて凝縮され、圧力が一定のままエンタルピが低下する（図中Ａ’点→Ｂ’点）。第１凝縮器１２出口部（図中Ｂ’点）における冷媒液の一部は、膨張機１３により断熱膨張し低温低圧の冷媒二相状態に変化する（図中Ｂ’点→Ｈ’点）。この低温低圧の冷媒は熱交換器４０にて、第１凝縮器１２から流量制御手段４１へ循環する冷媒液と熱交換して気化し、第１圧縮機１１に戻り（図中Ｈ’点→Ｅ’点）、第１圧縮機１１における動力の一部として利用されることになる。第１圧縮機１１に導入された冷媒はまず第一段目の圧縮が行われる（図中Ｅ’点→Ｆ’点）。第一段目の圧縮が行われた冷媒は、続いて第２凝縮器４５に導かれて凝縮され、圧力が一定のままエンタルピが低下する（図中Ｆ’点→Ｇ’点）。さらに、第２凝縮器４５を出た冷媒は、第２圧縮機４６にて第二段目の圧縮が行われる（図中Ｇ’点→Ａ’点）。また、凝縮器１２を出た冷媒の残りは、熱交換器４０において膨張機１３にて低温低圧となった冷媒と熱交換して冷却された後（図中Ｂ’点→Ｃ’点）、流量制御手段４１にて減圧され低温低圧の気液二層状態の冷媒となり（図中Ｃ’点→Ｄ’点）蒸発器１６に導入され、空気などと熱交換して気化し第１圧縮機１１に戻る（図中Ｄ’点→Ｅ’点）。蒸発器１６から第１圧縮機１１へと戻された冷媒は上述のバイパス配管４２から第１圧縮機１１に循環する冷媒同様、第１圧縮機１１、第２凝縮器４５および第２圧縮機４６を通過することにより高温高圧状態となり（図中Ｅ’点→Ｆ’点→Ｇ’点→Ａ’点）、上述の冷凍サイクルを再び循環することになる。
【００１５】
以上、かかる冷凍空調装置においては、冷媒の圧縮工程を２段階としたことで、実施の形態１同様、流量制御手段における低圧化の際に失われていたエネルギーを、蒸発器を通ることなく圧縮機に循環する冷媒にて回収し、流量制御手段におけるエネルギーロスの低減による効率ＵＰが図られるとともに、圧縮機に要する動力を低減することができ、さらに効率が向上するという利点がある。
【００１６】
上記実施の形態ではフルオロカーボン系または炭化水素系の冷媒を用いたものについて説明したが、冷凍空調装置の冷媒として二酸化炭素を用いた場合には、実施の形態１と同様に本発明の効果が特に顕著で好適である。
【００１７】
実施の形態３
図７は本発明にかかる冷凍空調装置の構成を表す構成説明図の一例で、圧縮機１１、凝縮器１２、第１流量制御手段４１、蒸発器１６が冷媒配管で環状に順次接続されており、フルオロカーボン系または炭化水素系の冷媒が循環する構成となっている。また、凝縮器１２と第１流量制御手段４１の間には熱交換器４０が設置され、さらに凝縮器１２と熱交換器４０の間及び蒸発器１６と圧縮機１１の間が第１バイパス配管４２にて連結接続されている。この第１バイパス配管４２にはエゼクタ１３及び気液分離器１４が設置され、さらに、気液分離器１４、第２流量制御手段４３、熱交換器４０及びエゼクタ１３が第２バイパス配管４４にて接続されている。
また、図８はかかる冷凍空調装置の冷凍サイクルを説明するための圧力−エンタルピ線図であり、図８中に示されたａからｋの各点は図７に記載された冷凍空調装置のａからｋの各点に対応し、各位置における圧力−エンタルピ状態を表わすものである。
【００１８】
以下、かかる冷凍空調装置の動作とその効果に付き、図８に示した圧力−エンタルピ線図を参照しつつ説明する。かかる冷凍空調装置においては、冷媒は圧縮機１１の出口で最も高い圧力およびエンタルピを有している（図中ａ点）。次に、圧縮機１１にて圧縮され高温高圧状態となった冷媒は、凝縮器１２に導かれて凝縮され、圧力が一定のままエンタルピが低下する（図中ａ点→ｂ点）。凝縮器１２出口部（図中ｂ点）における冷媒液の一部は、第１バイパス配管４２に導入されエゼクタ１３に到達し、エゼクタ１３にて断熱膨張することにより低温低圧の冷媒二相状態に変化する（図中ｂ点→ｆ点。ここでｆ点はエゼクタにおける冷媒が断熱膨張した直後の位置を意味している）。低温低圧の二相状態に変化した冷媒は、気液分離器１４から第２流量制御手段４３及び熱交換器４０を通ってエゼクタ１３に導入される冷媒と混合され、エンタルピ及び圧力が増大する（図中ｆ点→ｇ点→ｈ点）。このエンタルピ及び圧力が増大した冷媒は気液分離器１４に導入されて気相と液相に分離され、このうち冷媒蒸気は第１バイパス配管４２を通り、圧縮機１１へと循環する（図中ｈ点→ｅ点）。また、気液分離器１４において液相となった冷媒（図中ｈ点→ｉ点）は第２バイパス配管４４を通り第２流量制御手段４３へと循環し、圧力が低減される（図中ｉ点→ｊ点）。この低温低圧となった冷媒蒸気は、熱交換器４０にて凝縮器１２から第１流量制御手段４１へ流れる冷媒と熱交換しエンタルピが増大する（図中ｊ点→ｋ点）。このエンタルピが増大した冷媒は第２バイパス配管４４を通りエゼクタ１３に導入され、上述のように凝縮器１２を出て第１バイパス配管４２を通ってエゼクタ１３に導入された高圧の冷媒と混合されエンタルピが低減し、圧力が増大する（図中ｋ点→ｇ点→ｈ点）。また、凝縮器１２を出た冷媒の残りは、熱交換器４０においてエゼクタ１３にて低温低圧となった冷媒と熱交換して冷却された後（図中ｂ点→ｃ点）、流量制御手段４１にて減圧され低温低圧の気液二相状態の冷媒となり（図中ｃ点→ｄ点）蒸発器１６に導入され，空気などと熱交換して気化し圧縮機１１に戻る（図中ｄ点→ｅ点）。そして、冷媒は圧縮機１１にて圧縮され、高温高圧状態となり（図中ｅ点→ａ点）、上述の冷凍サイクルを再び循環することになる。
【００１９】
以上、かかる冷凍空調装置においては、エゼクタにて膨張された冷媒を気液分離器にて分離し、第２流量制御手段にて再度膨張させ、冷媒をさらに低温低圧化することにより、凝縮器から流量制御手段に循環する冷媒をより効率的に過冷却することができる。即ち、主流冷媒ルートの流量制御手段における減圧時に失われていたエネルギーを、第２バイパス流冷媒ルートを循環する、より低温低圧な冷媒にて効率的に回収することにより、流量制御手段におけるエネルギーロスの低減による効率ＵＰが図れ、実施の形態１および２と同様に効率的な冷凍空調装置の運転が可能となる。
【００２０】
上記実施の形態ではフルオロカーボン系または炭化水素系の冷媒を用いたものについて説明したが、冷凍空調装置の冷媒として二酸化炭素を用いた場合には、実施の形態１および２と同様に本発明の効果が特に顕著で好適である。
【００２１】
【発明の効果】
以上、本発明にかかる冷凍空調装置は、圧縮機、凝縮器、冷媒の圧力を低下させる流量制御手段および蒸発器を冷媒が順次循環するよう連結した主流冷媒ルートと、凝縮器の出口側から冷媒の一部を分岐し、分岐した冷媒を膨張動力回収手段にて膨張させて圧縮機の入口側に戻すバイパス流冷媒ルートと、バイパス流冷媒ルートの膨張後の冷媒によって主流冷媒ルートにおける流量制御手段の入口側の冷媒を冷却する熱交換器とを備えたもので、凝縮器から流量制御手段へ供給される冷媒を、膨張動力回収手段により低温化された冷媒により過冷却することで流量制御手段におけるエネルギーロスを低減することができ、高効率に稼動する冷凍空調装置が実現できる。また、主流冷媒ルートにおいて、圧縮機の出口側から凝縮器の入口側に第２凝縮器と第２圧縮機を順次連結した場合には、冷媒の圧縮工程を２段階とすることにより圧縮機に要する動力が低減され、効率がより向上し好適である。さらに膨張動力回収手段として膨張機を用いた場合には冷媒の膨張を簡易かつ高効率に行うことができさらに好適である。
【００２２】
かかる冷凍空調装置は、圧縮機、凝縮器、冷媒の圧力を低下させる第１流量制御手段および蒸発器を冷媒が順次循環するよう連結した主流冷媒ルートと、凝縮器の出口側から冷媒の一部を分岐し、分岐した冷媒を膨張動力回収手段にて膨張させた後、膨張した冷媒を気相及び液相に分離する気液分離器を通して圧縮機の入口側に戻す第１バイパス流冷媒ルートと、気液分離器の液相側から冷媒を分岐し、分岐した冷媒を第２流量制御手段にて膨張させた後、膨張動力回収手段に戻す第２バイパス流冷媒ルートと、第２バイパス流冷媒ルートの膨張後の冷媒によって主流冷媒ルートにおける流量制御手段の入口側の冷媒を冷却する熱交換器とを備えた場合には、凝縮器から第１流量制御手段へ供給される冷媒を、第２流量制御手段によりさらに低温かつ低圧力化された冷媒を用いて過冷却することで第１流量制御手段におけるエネルギーロスをより効率よく低減するとともに、この冷媒の冷却により回収したエネルギーを利用して冷媒のエンタルピを増大させて膨張動力回収手段に導入し気液分離器を通して圧縮機に戻すことにより圧縮機における運転効率を向上させることができ、さらに高効率に稼動する冷凍空調装置が実現できる。また、膨張動力回収手段としてエゼクタを用いた場合には、冷媒を低コストかつ効率的に膨張させることができ、好適である。
【００２３】
かかる冷凍空調装置は、冷媒が二酸化炭素である場合には、流量制御手段によるロスが効果的に低減でき、好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる冷凍空調装置の構成を示す構成説明図である。
【図２】  本発明にかかる冷凍空調装置に対応した圧力−エンタルピ線図である。
【図３】  二酸化炭素を冷媒として用いた場合の圧力−エンタルピ線図である。
【図４】  フルオロカーボン系の冷媒を用いた場合の圧力−エンタルピ線図である。
【図５】  本発明にかかる冷凍空調装置の構成を示す構成説明図である。
【図６】  本発明にかかる冷凍空調装置に対応した圧力−エンタルピ線図である。
【図７】  本発明にかかる冷凍空調装置の構成を示す構成説明図である。
【図８】  本発明にかかる冷凍空調装置に対応した圧力−エンタルピ線図である。
【図９】  従来の冷凍装置の構成を示す構成説明図である。
【符号の説明】
９  冷凍サイクル、１１  圧縮機、１２  凝縮器、１３  エゼクタ、
１４  気液分離器、１５  冷媒ポンプ、１６  蒸発器、１７  冷媒配管、
４０  熱交換器、４１  流量制御手段（第１流量制御手段）、
４２  バイパス配管（第１バイパス配管）、４３  第２流量制御手段、
４４  第２バイパス配管、４５ 第２凝縮器、４６  第２圧縮機、
５０  ３５℃の等温線、５１  等エントロピ線、５２  １０℃の等温線、
５３  エネルギーロス、５４  冷凍能力、６０  ３５℃の等温線、
６１  等エントロピ線、６２  １０℃の等温線、６３  エネルギーロス、
６４  冷凍能力。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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